Towards calorimetric detection of individual itinerant microwave photons

Thumbnail Image

Files

isbn9789526070018.pdf (1.89 MB)
article1.pdf (864.78 KB)
article2.pdf (980.66 KB)
article3.pdf (4.5 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-09-30
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2016

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

68 + app. 45

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 179/2016

Abstract

This dissertation focuses on the development of a new type of thermal microwave photodetector based on superconductor–normal-metal–superconductor (SNS) junctions.  We motivate the development of the detector mainly by microwave quantum optics applications in the context of superconducting qubits coupled to microwave transmission lines and resonators, i.e., in the context of circuit quantum electrodynamics (cQED). In cQED, single-photon microwave pulses naturally arise as a results of a qubit exchanging its excitation with a transmission line. While immense progress has been achieved in cQED in general, and in linear microwave amplification in particular, the challenge of developing an efficient and practical detector for single itinerant photons remains open, mostly due to the exceedingly small energy of individual microwave photons. This prevents microwave implementations of a certain class of quantum optical protocols, including the parity measurement protocol proposed in this dissertation.  The core of this dissertation is dedicated to introducing our detector design, discussing the thermal properties of the detector in detail, and demonstrating the operation of the detector in a time-gated threshold detection mode. In particular, we demonstrate threshold detection of coherent 8.4 GHz microwave pulses containing roughly 200 photons, or 1.1 zJ of energy. Compared to other thermal detectors, this is an order of magnitude improvement in the energy of the detected pulses.  In addition, we characterize the linear response of the SNS junctions as separate components. That is, we embed the junctions in a microwave circuit that is specifically designed to allow determining the electrical admittance of the SNS junctions from the response of the circuit as a whole.

Tämä väitöskirja keskittyy uudentyyppisen mikroaaltofotoni-ilmaisimen kehitykseen. Ilmaisin perustuu suprajohde–normaalimetalli–suprajohde-liitoksiin (SNS).  Ilmaisin on suunnattu lähinnä mikroaaltotaajuuksilla tapahtuviin kvanttioptiikan sovellutuksiin, joissa suprajohtavat kvanttibitit (eli kubitit) kytketään mikroaaltosiirtolinjoihin. Tällaisissa niin sanotuissa piirikvanttisähködynamiikan kokeissa yhden fotonin mikroaaltopulsseja syntyy luonnollisesti virittyneen kubitin luovuttaessa energiansa mikroaaltosiirtolinjaan. Yhden fotonin liikkuvia mikroaaltopulsseja ei kuitenkaan kyetä havaitsemaan tehokkaasti nykyään käytössä olevalla tekniikalla, lähinnä yksittäisten mikroaaltofotonien häviävän pienen energian vuoksi. Tämä siitäkin huolimatta, että lineaariset vahvistimet, joita useimmiten käytetään mikroaaltomittauksissa, ovat kehittyneet viime vuosina vahvasti. Ilman yksifotoni-ilmaisia eräitä kvanttioptiikan menetelmiä ei voida kuitenkaan hyödyntää, mukaan lukien pariteettimittausmenetelmä, jota ehdotetaan tässä väitöskirjassa.  Väitöskirjan keskeisimmässä osassa esitetään ilmaisimen toimintaperiaate ja tärkeimmät termodynaamiset ominaisuudet sekä tutkitaan kuinka heikkoja mikroaaltopulsseja ilmaisin kykenee havaitsemaan. Jos pulssin saapumisaika tiedetään, ilmaisimen laukeamiseen riittää noin 200 fotonin koherentti 8.4 GHz:n pulssi, eli 1.1 zJ:a energiaa. Tämä on kertaluokkaa pienempi energia kuin mitä aiemmin on kyetty havaitsemaan lämpötilamuutoksen mittaamiseen perustuvilla tekniikoilla.  Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan SNS-liitosten sähköistä lineaarivastetta erillään ilmaisimesta. Määrittämme liitosten admittanssin mittaamalla SNS-liitokset osana piiriä, joka on tätä tarkoitusta varten suunniteltu ja jonka ominaisuudet tunnemme ennalta tarkasti.

Description

Supervising professor

Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Möttönen, Mikko, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Keywords

microwave, photodetection, calorimetric, SNS, mikroaalto, fotoni, ilmaisin, kalorimetrinen

Other note

Parts

  • [Publication 1]: J. Govenius, Y. Matsuzaki, I. G. Savenko, and M. Möttönen. Parity measurement of remote qubits using dispersive coupling and photodetection. Physical Review A, 92, 042305, October 2015.
    DOI: 10.1103/PhysRevA.92.042305 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Govenius, R. E. Lake, K. Y. Tan, V. Pietilä, J. K. Julin, I. J. Maasilta, P. Virtanen, and M. Möttönen. Microwave nanobolometer based on proximity Josephson junctions. Physical Review B, 90, 064505, August 2014.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.90.064505 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Govenius, R. E. Lake, K. Y. Tan, and M. Möttönen. Detection of zeptojoule microwave pulses using electrothermal feedback in proximity induced Josephson junctions. Physical Review Letters, 117, 030802, July 2016.
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.030802 View at publisher
  • [Publication 4]: R. E. Lake, J. Govenius, R. Kokkoniemi, K. Y. Tan, M. Partanen, P. Virtanen, and M. Möttönen. Microwave admittance of gold-palladium nanowires with proximity-induced superconductivity. Submitted to Advanced Electronic Materials, arXiv:1607.08900v1, 2016.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7001-8

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI